1、本科毕业论文（20 届）GPS 控制网的优化设计所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期GPS 控制网的优化设计【摘要】随着现代互联网和通讯技术的发展，对 GPS的使用提出了更高的要求，随着 GPS网的广泛应用，我们需要研究如何优化 GPS网，本文探讨了 GPS网的优化设计问题。在具体的运用 GPS进行地理信息作业前，需要先设计科学的控制网来作为作业的基础和条件，这就是 GPS网的优化设计问题。该论文以优化设计传统控制网为角度，重点探讨控制网的优化设计深层原则、有效方法和具体步骤。【关键词】GPS；控制网；优化设计目录1 引言 .11.1 研究背景 .11.2 研究目的 .11.3
2、研究意义 .12 GPS 及相关概述 .12.1 GPS 卫星定位系统组成 .12.1.1 GPS 的工作卫星 .12.1.2 地面监控站 .12.1.3 GPS 信号接收机 .22.2 GPS 定位的基本原理 .23 控制网的优化设计 .33.1 GPS 控制网的结构特点 .33.2 GPS 控制网的设计原则 .43.2.1 明确 GPS 控制网的应用范围 .43.2.2 采用分级布网原则 .43.2.3 其他原则 .44 GPS 控制网优化设计的方法 .54.1 GPS 控制网优化设计的方法 .54.1.1 解析法设计 .54.1.2 模拟法 .54.2 GPS 控制网设计的具体步骤 .6
3、4.3 提高 GPS 控制网精度和可靠性的方法 .64.4 GPS 控制网的基本形式 .75 总结 .8致谢语 .9参考文献 .1011 引言1.1 研究背景1980 年代出现的 GPS 改变了全球的地理信息和测绘作业，对于传统的测绘作业和研究带来了极大的进步，使得现在大多数的工程作业、地理测绘、大众位置导航、商业导航等，都依赖于 GPS 的位置定位，所以现在对 GPS 控制网的设计与优化就显得极为重要。1.2 研究目的我们都知道，使用全球定位系统(GPS)建立控制网现在已经是为大众熟知的方式。作为开启定位和地理位置信息的基石工作GPS 控制网，按照文书在有关目标网的社会用途、财务预算的相关要
4、求，结合实际情况，如目标实际区域的地貌、交通状况等，有针对性的改良原来的设计，再以历经考核的设计图纸构画控制网新图形，与此同时，依据对应的接收机的精度估算控制网的精度和可靠性。选择满足良好精度、完美可靠性要求且经费最少的设计方案，实现控制网优化设计的完美转变。1.3 研究意义本论文通国对 GPS 控制网的原理和操作的说明，阐述研究 GPS 控制网的优化设计，对以后在布设 GPS 控制网时具有参考意义。2 GPS 及相关概述2.1 GPS 卫星定位系统组成GPS(Global Positioning System)，是美利坚合众国国防部研 制的一套卫星定位系统，可以及时完成全方位、全时段、高精度
5、的实景定位和导航，以及相关的测速工作。2.1.1 GPS 的工作卫星在 GPS 卫星系统由 24 颗地位平等的卫星组成21 颗主要工作卫星加上 3 颗充当候补队员的备用卫星。 这 24 颗卫星平均分布在 6 个倾角为 55 度的轨道平面，两两相邻的轨道平面间距为 60 度，此为升交点赤经差值。 每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度。这样可以保证所有地点都可以看到至少 4 颗以上的卫星，这也是保证了位置信息定位的准确性。由于 GPS 卫星系统是以地球自转 2 倍的速度快速运动，因此，我们在地面上观测的结果是：每日都会早 4min 观测到同一颗卫星。然而，根据时段和地理位置的不同，观
6、测到的卫星数目也是会有变化的，例如对于位处地平面以上的卫星的观测数目就是 4 颗到 11 颗。使用 GPS 导航系统时，有且必有 4 颗卫星才能得到算测站的具体位置坐标，这同样是在地球上任何位置观测都至少有 4 颗卫星的原因。当然，并不是所有地方或者所有时刻，GPS 卫星导航系统都可以准确精确及时的定位，也会出现一定的盲区，但这种盲区出现的时间非常短，范围非常小，所以基本不会影响 GPS 卫星导航系统工作的效率和准确性。2.1.2 地面监控站对于导航定位来说，GPS 卫星是在太空中进行信息监测和传输，而在地面会有相应不同种类的监控站进行监控，分别有主控站、注入站和监控站组成。记录卫星的运动轨迹
7、结合其轨道的相关参数即可精确算出 GPS 卫星的具体位置。然而任意一个导航卫星的升空轨迹、起始发射位置、运行轨迹都是由地面监控系统设计和维护的，后面的位置信息定位、传输和处理也是 GPS 导航卫星将数据传回地面监控站由地面监控系统进行分析和处理，最后获得相应的结果，这一结果才是用户所能够直接运用的。通过地面控制站对卫星进行实时监控，记录有效时间点，得出钟差，经地面注入站发给卫星，再转展传输导航电文到用户设备。其中不可或缺的是地面控制系统，它一方面控制指挥卫星的正常运行和完成各种工作任务；另一方面，也是更为重要的一方面，控制每一颗卫星都处在 GPS 时间系统中。GPS 地控体系统由主控站一座，加
8、上三座地面注入站和五座实时监控站组成。（1）主控站。主站是 GPS 导航系统地面监控系统的核心，它设立在美国的科罗拉多。主控站非常重要，一边收集各种数据一边整合处理其他监控站采集的工作资料，设计出每颗卫星独一无二的星历以及相应的 GPS 时间系统，并把估算的各项数据指标，如卫星时间与地面时间的钟差，轨道运行速2率等转换成导航电文传输相应的地面注入站内，供下一步操作顺利进行。主控站同时需要纠正卫星的轨道偏离，在一定情况下需要调度卫星的所在位置和运行轨迹，替换卫星。主控站是控制和连接注入站、监控站的枢纽，需要定期检测注入站和监控站的信息和工作状态。（2） 注入站。三座注入站分布在三片海域，依次是阿
9、松森岛（大西洋） 、卡瓦加兰岛屿（太平洋）和哥加西亚岛屿（印度洋） 。接收主控站的导航电文，并迅速把数据注入匹配的目标卫星的储存装置内，是注入站的主要工作。工作频率和任务量是一天进行三次注入操作，每一次注入时长为 14 个自然日的星历。同时，注入站还需要向主控站汇报自己的工作情况，以便能够正常的运行。（3）监控站。在数量上取胜的监控站，重要职能是提供主控站所需的观测数据。其中四座坐落于主控站及注入站的附近，剩余一座处于太平洋的夏威夷岛。 它每 6 分钟运用信号接收机的伪距测量功能和积分多普勒观测技术，采集所有卫星的运行速率、气象要素等。在主控站的实时监督控制下，每隔 15 分钟将所得数据平滑一
10、次，处理得出间隔每 2min 的观测数据，最终给主控站传输核对修正过的精确结果。2.1.3 GPS 信号接收机GPS 信号在由导航卫星进行信息采集和传输，主控站、监控站和注入站进行信息处理之后并再次传输出来，这个时候 GPS 信号需要由一定的设备进行接收。这就是 GPS 信号接收机。GPS 信号接收机是获取卫星位置信息，并进行处理和转换，使得整个流程末端的终端机能够采集到待监测目标卫星的精确信号数据（并要求是依照一定卫星高度截止角所对应的卫星信号） ，实时追踪监测目标卫星的各项数据，放大、处理、转换后整合得出具体的位置信息。生活中不管是随处可见的人手一部的手机，还是马路上的一台台汽车导航仪乃至
11、飞机的驾驶导航仪等设备都含有 GPS 的信号接收设备，但这些都不是完整的接收机，而只是接收机的载体。2.2 GPS 定位的基本原理在无线电信号往返于发射台和卫星之间，这样简单的两点一线来回就构成了单独一颗卫星的导航定位系统。根据无线电的测距交会机制，从任意三个或以上控制台即可交会得出一颗卫星的位置，同样的道理，任意三个及以上的已知卫星空间能够轻易简洁地交会得出接收机客户端的坐标。测距信号和包含有卫星坐标的导航电文被 GPS 卫星系统发射出去以后，某一台用户端口的 GPS 接收设备在某一具体时刻，同一时间点会接收到三个或以上的 GPS 信号，并测量出接收天线中心 P 到那三个或以上的卫星的直线距
12、离，综合精确计算出该卫星的三维坐标，再回来采用距离交会法获得接收天线中心的实际位置。 如图 2-1，设在时刻在测站 P 用 GPS 接收机同时测得 P 点至三颗 GPS 卫星 S1，S2 ，S3 的距离 P1，P2，P3 ，通过 GPS 电文解译出该时刻三颗 GPS 卫星的三维坐标分别为， ， ，j=1，2，3。采用距离交会法计算接收天线中心 P 的空间坐标，求解 P 点的三维坐标JXYJZ（X，Y，Z）的观测方程为： 2222111122223333()()()XYZP3图 2-1 GPS 定位原理立体坐标法是 GPS 常用的定位方法，由于定位工作时常是在快速运动状态中完成的，故得出的位置坐
13、标也是随时间不断改变。在这样的工作原理和环境下，对 GPS 系统的效率和计算结果的需要一定要求的精确度。因此，对每一时段，每一时间点，以及最新时间点的测量站与卫星间的距离，和由主控站发出的导航电文中解码的卫星三维坐标值，还有最终对测量点的位置计算都有着更快速更精准的要求。 针对某一待测定的位置点，按照它运动状态，GPS 定位分为静态和动态。1、静态定位，将一台接收机安置于一个固定不动的带定点，实时观测一段时长，得到空间坐标，也称绝对定位，当用相同的方法确定一定时长两个装有接收机的固定点之间的相对位置时，则称之为相对定位；2、动态定位，是指观测对象中至少一台接收机处于运动状态，得出的结果也是运动
14、状态中的接收机的坐标点位，一个待测点叫绝对点位，两个待测点之间的相对位置则叫相对点位。不管是卫星信号还是载波相位，都能够准确静态定位。实践中，对定位结果的影响因素有很多，如卫星的轨道误差、电离层与对流层的折射误差还有各种钟差等，然而此时常常利用载波相位法定位，当选取载波相位所观测到的各种线性分差值进行解算，就能够得到准确度极高的 GPS 坐标差。3 控制网的优化设计3.1 GPS 控制网的结构特点在对控制网进行研发的过程中，需要根据度量统一标准，而对网进行科学设计，并对外业工作计划进行合理拟定。GPS 网的设计涉及的因素非常多，但其最主要的目标就是完成相关的测绘任务。GPS 网的设计包括网形构
15、造、精度、基准等方面的设计。不仅如此，还需要在落实具体项目中，在基于理论层面对控制网的开发条件进行全面思考之上，对观测时刻、观测方位和交通后勤等诸多因素进行综合衡量。基于当前发展状况来讲，控制测量一般会应用相对定位这一测量手段。而这则至少需要两台或两台以上接收机在同一时间范围内不间断追踪同一个卫星组，这就是同步观测。在进行同步观测的过程中，所有点构筑的图像即为同步图像。多台接收机同步观测相同时间域时，就会构成下述不同同步图像结构，详情可参考图。总体而言，在台接收机进行同步观测而最终获取的同步图像总共包含 n 条基线，而表示为 n=T(T-1)/2。4a.2 台接收机 b.3 台接收机 c.4
16、台接收机 d.5 台接收机图 3-1 同步图形示例同步图形构成 GPS 网的基本图形。而在组成同步图形的 n 条基线中，只要（T-1）条是独立基线，其余基线均为非独立基线，可由独立基线计算出结果。因此，也就在同步图形中形成了若干坐标闭合差条件，我们把这叫做同步图形闭合差。因为同步图形是在相同的时间观测相同的卫星所获得的基线解形成的，基线之间是相关的观测量。所以，同步图像闭合差无法被视为度量精度的一个参考指标，不过可通过它了解野外的观测水平与实际应用条件。在进行测量的过程中，相对于同步图像而言，亦存在非同步图像（还被称作异步图像），简而言之，指的是通过多个时段的基线而组建的图像。通过异步图像而构
17、成的坐标闭合差条件被视为异步图像闭合差。在其中 1 条基线被超过 2 个时段进行观测时，继而构成重叠基线坐标闭合差条件。其中异步图像闭合条件与重叠基线坐标闭合条件度量精度和系统差以及检验粗差的主要参考指标。3.2 GPS 控制网的设计原则基于上述控制网的开发条件可知，当还未进行 GPS 运作时，首先要制定一套可操性强、精度高、满足基本要求的布网作业方案，即为 GPS 网的完善开发问题，在参考基本理论并结合实际工作经验的基础上，归纳了若干个控制网开发需要遵循的准则。3.2.1 明确 GPS 控制网的应用范围首先需要确定控制网使用领域，就工程建设所用的网而言，应对不同时期与目标控制网的运行内容与应
18、用目标进行全面分析，进而合理设计。对于不同类型的工作内容与实施项目而言，其所应用的控制网无论是使用条件还是使用领域都存在很大差异，以城市控制为例，需要在关注短期发展需求的基础上，对未来发展进行全面考虑。此外，还需要考虑是不是应该进一步丰富控制网所拥有的功能。由于城市网拥有非常良好的精度，且无需通视，部分城市计划把城市网发展成同时拥有监察三维形变功能的一种控制网。而这不仅能够更好地保障城市安全，还能够切实促进网与测绘工作的全面应用。3.2.2 采用分级布网原则分级布网采用合理，不仅可以有效地完成各阶段或者各级别的测绘信息工作，还能够减少作业时间和成本。合理地分级部署网，可基于测量目的地的短期需求
19、与未来发展需求而分阶段地进行部署，使得该网的结构能够保持长短边彼此融合的模式。相对于全国皆采用短边组建全面网而言，能够有效降低网边缘部位偏差的累积，且有利于使得网中的成果检验与数据信息处理能够按照阶段进行分别运行。分级布网是创建普通测量控制网的普遍手段，由于测量拥有诸多优势，因此无需 网根据普通控制网进行不同等级部署安排。比如，可将大城市中的控制网划分成 3 级：一级网内各个邻近点相距均值是超过；二级网内各个邻近点相距均值在之间；三级网各个邻近点相距均值可不足，并可通过和全站仪彼此融合的方式进行部署组织。就小城市而言，可将网划分成两级。旨在切实提升网的安全性与可靠性，不同级网皆需部署为通过独立
20、运行的基线向量边组建的闭合图像网，闭合图像严格限定，可呈三边形；亦可为四边形，网中不得拥有支线。3.2.3 其他原则网内的闭合条件中基线数是有限制的，不宜太多。网内不同点可拥有超过 3 条或更多基线分支，进而确保满足检验条件，促进网运行安全性、可靠性的提升，保障网的运行精度与运行均衡性。需要按照“各点起码设定设定独立站进行 2 次观测”的标准进行网部署。基于此而构筑的，无论是在精度方面，还是可靠性方面，皆和指标非常的接近。此外，旨在促进网和地面网两者坐标顺利的转换，网起码要和地面网中存在 2 个重合点。其中实验分析与实际工作证明，需要将各精度较为理想、排列均衡的地面点看作是网的构成要素，进而促
21、使成果能够更顺利地转换到地面网内。此外，还需要和一定数目的地面水准点保持高度重合，进而获取更多与大地水准面相关的分析资料，便于大地水准面大地5高转变成标准高。再者，为了更好地进行观测，点最好能够位于视野广阔、交通发达的区域。虽然网进行观测时根本无需顾及通视这一点，不过为了能够促使传统方式的扩展，起码要和网内的某一点保持通视。4 GPS 控制网优化设计的方法4.1 GPS 控制网优化设计的方法在现有的各种设计方式中，控制网进行优化研发时，通常会应用到 2 种方法：一是解析法；二是机助模拟法。4.1.1 解析法设计解析法设计的运行机制在于：预先在图纸上把线路上的交点和特征点的坐标算出，然后根据坐标
22、到实地上去定线放样，在某些城市测量城市规划和管理工作做得比较完善，设立了统一的城市坐标系统，采用这种方法定线，可使点线关系建立在可靠的数据基础上，得到比较高的精确度。为处于不同时期的研发，结合固定参数和相关约束要求，而通过待定参数获取最理想的解，在此一般通过线性规划法获取待定参数，解析法尽管可以比较详细低阐述相关事物的本质，不过受具体控制网约束需求多样，未知因素繁琐，数学模型创建难度大等相关因素的影响，解析法通常只是在较小领域的精密工程控制网中进行使用。4.1.2 模拟法模拟法指的是就最初明确的网形和观测精度，通过平差模型以及控制网的研究模型，仿真分析一组原始信息和观测信息，将其输至计算机，并
23、基于平差理论而获取未知参数和相关函数的具体精度，预测成本，且对观测信息的可靠性等诸多信息进行深入计算，在和预期设定的精度条件、成本限制、可靠性限制等进行对比，结合计算机发出的信息和研发工作人员掌握的经验，而对控制网的网形和基准以及观测精度等诸多参数实施校正，之后多次计算，一直持续到获取满足所有设计条件的研发方案为止。在此对一个由 8 个点组成的 GPS 模拟网（图 4-1） ，进行网的精度设计。图 4-1 GPS 模拟网表 4-2 GPS 模拟网坐标值点号 纬度/ 经度/ 大地高程/m1 36.16 112.30 1002 36.11 112.30 803 36.16 112.34 1204
24、36.14 112.32 1505 36.14 112.36 1206 36.11 112.34 1007 36.16 112.38 2008 36.11 112.38 110根据图 4-1 独立基线构成的 GPS 网形结构，求出网的平均点位误差为 2.9cm，和测量任务书中要6求相比未达到设计精度要求。所以在在网中增加新基线，并重新计算平均点位误差（表 4-4）表 4-3 GPS 基线长、方位和高差精度项目 固定误差 比例误差D（边长） 5mm 110-6A（方位） 3” 1”H（高差） 10mm 210-6表 4-4 增加新基线计算协因数及平均点位误差增加基线 达到的平均点位误差/cm46
25、 2.535 2.345 2.2由以上的计算结果可见，只要加测 35,46 和 45 等三条基线后，就可以达到设计精度要求。虽然达到了精度要求，但是受数学模型创建困难大，所要求的计算量较大等原因的影响，所以我们在建设 GPS 控制网之时，一定要根据具体的精度要求和时间、预算等因素再进一步考虑。4.2 GPS 控制网设计的具体步骤基于上述分析，可将 控制网优化设计的具体流程进行归纳：基于布网目标，于图上合理选取点，进行野外实际勘察，进而确保所选点位能够符合布网条件以及野外观测需求，进而对获取实际测量的概略点位；基于各点发出 3 条独立基线、边长均衡部署等相关准则，且在联合接收机具体台数与布网等原
26、则的基础上，设定网的具体观测图形，并选定可能要追加施测的基线；对需要满足的精度标准与可靠性参数展开科学计算，一直持续到满足设计需求，而后获取增多独立观测基线之后的终极施测规划。4.3 提高 GPS 控制网精度和可靠性的方法为了确保网内所有邻近点达到一定的精度要求。在全面网内部署框架网，将其看作是全网的主要框架；拟定一个适用于子区与子环路的实际测量计划。 而后，引进高精度激光测距边。在进行 GPS 网部署的过程中，将它看作是观测值和 GPS 观测值展开联合平差，或者是把它们看作是起算边长。随后，通过高程拟合这一方式对网内不同点的正常高进行科学测定。水准点的数目最好能够更多一些，均衡地分布于网内，
27、网中的四周把全网囊括在内。增强观测期数确保可靠性。基于此而获取的独立基线数则会处于增多状态，可有效促进控制网可靠性精度的提升。而后，确保存在相应的重复设站次数。它能够保证网的可靠性，其原因主要表现在2 个方面：基于相同测站而进行的反复观测，能够察觉测站对中、整平、量测天线高等存在的人为失误；在相同接收机于相同测站内展开不间断、不同时段的监查的过程中，所有时段皆需要重新部署安排仪器，进而将所有人为操作引起的偏差控制到最小。 此外，确保各测站独立基线至少相连于 3条。超过 3 条的独立基数保持相连状态，能够有效提升测站的可靠性。在对网进行部署的过程中，所有点的可靠性和其点上实际连接的基线数目存在密
28、切联系，两者之间成正相关联系。还有，在进行布网的过程中，需要确保网内全部异步环的边数低于 6 条。在对网进行部署的过程中，由于构成异步环的基线向量数的持续增加，它的检验质量水平会处于持续降低状态。4.4 GPS 控制网的基本形式基于测量的具体应用方向，可将控制网划分成下述不同形式。（1）三角形网7在此图内，所有三角形边皆通过非同步观测的独立边而进行构筑。此网形成的几何图形其结构非常强，拥有非常理想的自我检测能力，可及时察觉观测成果中存在的偏差，保障网的安全性与可靠性。在进行平差之后，网内各个邻近点的基线向量拥有较为均衡的精度分布。可参考图 4-1。图 4-1 GPS 三角网此网的最大不足之处在
29、于是观测工作量非常繁多，特别是在接收机数目不多的情况下，会导致观测时间延迟很长时间。所以，一般唯在对网的精度与可靠性要求非常严格的情况下应用此网。（2）环形网通过多个存在不同条独立观测边的闭合环而构筑的网被称作环形网，可参考图 4-2。图 4-2 GPS 环形网相对于三角网而言，此网的图形结构强度偏低，它的优势在于：观测工作量不大，其可靠性较为理想，并且具有理想的自我检测能力。其不足之处在于：相对于直接观测而言，间接观测的基线边精度偏小，邻近点间的基线拥有不是非常理想的精度分布。因为环形网的自我检检测水平、可靠性等皆和闭合环内存在的基线边数目存在密切联系，因此，通常基于网的精度需求，对其基线边数目进行充分明确。三角网与环形网皆广泛应用于大地测量以及精密工程测量。一般而言，在实际工作中，通常会应用这 2 种图像的融合图形。（3）附和线路和星形网在高级网应该加强对控制点的加密强度，在此过程中可应用附和线路，可参考图 4-3。为了确保其精度与可靠性，附和线路中存在的边数以不可过多。图 4-3 附合线路星形网中所显示的几何图形，可参考图 4-4。该图形较为简单，直接观测边间不会组建成闭合图形，因此在检验与察觉粗差方面不够理想。
